6. KOVANJE 6.1. Definicija, vrste, opšte karakteristike Kovanje je plastično deformisanje metala između dva međusobno pokretna dela alata, pri čemu se materijal izlaže pritisnim i zateznim naponima, i to impulsnim (udarnim) putem. Kovanje je jedna od najstarijih obrada metala a izvodi se na toplo. Postoje dve vrste kovanja: − slobodno kovanje − kovanje u kalupu Slobodno kovanje je obrada pomoću univerzalnih alata čija je osnovna karakteristika da ne moraju imati oblik koji odgovara obliku obratka (slika 6.1). Oblikovanje se najčešće obavlja uz upotrebu većeg broja udaraca. Ako je komad koji se kuje manjih dimenzija, njegovo pridržavanje i manipulisanje izvodi radnik pomoću odgovarajućeg ručnog alata dok se kod većih komada manipulacija izvodi pomoću specijalnih manipulatora. Na slici 6.2 prikazan je jedan takav slučaj gde se pridržavanje i manipulisanje radnim predmetom ostvaruju pomoću posebnog pokretnog uređaja – manipulatora. Tačnost dimenzija obratka dobijenog slobodnim kovanjem znatno je manja nego što se postiže kovanjem u kalupu. Zbog ovakvih karakteristika slobodno kovanje se najčešće primenjuje u maloserijskoj i pojedinačnoj proizvodnji, i to pretežno kao pripremna operacija.
Slika 6.1 – Alati za slobodno kovanje
Slika 6.2 – Slobodno kovanje otkovaka velikih dimenzija Kovanje u otvorenom kalupu je obrada pomoću specijalnih alata (kalupa), gde oblik šupljine (gravure) u alatu predstavlja negativ oblika dela (otkovka). Definitivan oblik otkovak najčešće dobija tek nakon više operacija kovanja, s tim što se za svaku operaciju koristi poseban alat. Na slici 6.3 prikazani su alat i otkovak na kraju operacije kovanja a u donjem delu slike otkovak i otpad materijala. 1 - donji deo kalupa 2 - gornji deo kalupa 3 - nosač donjeg dela kalupa (nakovanj) 4 - nosač gornjeg dela kalupa (malj) 5 - klin 6 - otkovak 7 - spoljni srh 8 - unutrašnji srh 9 - podeona ravan 10 - otkovak izvan kalupa 11,12 - otpad
Slika 6.3 – Kovanje u otvorenom kalupu Venac po obodu kalupa tj. otkovka pospešuje popunjavanje gravure i kompenzuje netačnost zapremine pripremka. Odsecanje venca i probijanje potrebnih otvora izvodi se u posebnoj operaciji nakon kovanja. Pridev “otvoreni” u nazivu ove vrste kovanja proističe iz činjenice da u alatu postoji otvor za isticanje viška materijala. Specijalna vrsta kovanja u kalupu je kovanje u zatvorenom kalupu (slika 6.4). U ovoj vrsti kovanja nema viška materijala i zapremina gravure u potpunosti odgovara zapremini otkovka.
a – gornji alat b – donji alat c – radni komad
Slika 6.4 – Kovanje u zatvorenom kalupu Kovanje je veoma značajna grana metalne industrije. Otkovci se koriste u mnogim oblastima tehnike, počev od jednostavnih elemenata za spajanje (vijaka) do veoma kompleksnih delova automobila, aviona i dr. Raznolikost delova koji se dobijaju kovanjem može se ilustrovati podatkom da je, prema proceni stručnjaka, u svetu više od 600 000 različitih alata za kovanje. Težina otkovaka koji se mogu dobiti kovanjem kreće se od 1 grama do preko 1 tone. Intenzivan razvoj auto-industrije dao je nove impulse tehnologiji kovanja. S obzirom da je obrada iznad temperature rekristalizacije, moguća je obrada skoro svih vrsta materijala. Tačnost i kvalitet površina su na relativno niskom nivou pa se aktivne funkcionalne površine otkovka moraju naknadno obrađivati skidanjem strugotine. Za razliku od toga, mehaničke osobine otkovaka su veoma dobre pa se odgovorni delovi, kao što su, na primer, klipnjače motora, poluosovine vozila i dr., skoro isključivo izrađuju kovanjem. Izlaganje u ovom poglavlju odnosi se na kovanje u otvorenom kalupu. 6.2. Konstrukcija otkovka Otkovak ima različite dimenzije i oblik od završnog oblika dela. Po pravilu, završni oblik se dobija naknadnom obradom otkovaka skidanjem strugotine. Na osnovu crteža završnog oblika dela konstruiše se otkovak iz koga će se taj deo dobiti. Glavni elementi konstrukcije otkovka: − podeona ravan − kovački nagibi − radijusi − minimalne debljine kovanja − dodatak za obradu − tolerancije izrade otkovka Detalji konstrukcije otkovka sa svim potrebnim podacima dati su u knjizi [10]. Na slici 6.5 dati su gotov radni komad i odgovarajući otkovak s dodacima za obradu, odgovarajućim nagibima i radijusima zaobljenja.
Slika 6.5 – Gotov komad i odgovarajući otkovak
6.3. Tolerancije otkovaka Tolerancije otkovka određuju se na osnovu a) vrste materijala (njegove obradivosti), b) veličine otkovka, tj. njegove težine, c) složenosti. Složenost otkovka definiše se kao odnos zapremine otkovka i zapremine konture koju čine maksimalne dimenzije otkovka. Pri tome se tolerancije daju za dve mogućnosti: uobičajeni kvalitet otkovka i povišeni kvalitet otkovka. U zavisnosti od ovih parametara moguće je, pomoću empirijski određenih tabela, odrediti tolerancije dužine, visine i širine dela otkovka koji leži u polovini kalupa: − za debljinu otkovka − za centričnost otkovka Detaljan postupak određivanja tolerancija za konkretan otkovak kao i empirijske tabele koje se pri tome koriste date su u [10]. 6.4. Alati za kovanje Izgled donjeg dela alata (kalupa) za kovanje kao i presek kroz kompletan alat dati su na slici 6.6.
Slika 6.6 – Kalup za kovanje a – gravura, b – dužina mosta, c – telo alata (kalupa), d – otvor za transport, e – čeona površina, f – oslona površina, g – noga alata, h – površina za stezanje (postavljanje na mašinu), i – vodeća površina, k – ivica, l – gornji kalup, m – magacin viška materijala, n – most, o – podeona ravan, p – donji kalup, s – debljina mosta Gornji kalup (nije prikazan u trodimenzionalnom prikazu) u principu je isti kao i donji, s eventualnim razlikama u samom obliku gravure. Značajan uticaj na parametre procesa kao i na kvalitet samog otkovka imaju oblik i dimenzije kanala (mosta) za srh. Oblik i dimenzije tog kanala zavise od oblika gravure. Smanjenjem odnosa b/s smanjuje se i pritisak u gravuri kao i visina koju materijal može postići u gravuri, i obrnuto. To znači da je za složenije konfiguracije gravure (veća visina H , manja debljina vertikalnih segmenata gravure t ) potrebno da odnos b/s bude veći nego za jednostavnije gravure (manja visina gravure, veće debljine vertikalnih segmenata gravure). Slika 6.7 ilustruje jednostavnu i složenu gravuru, s relevantnim dimenzijama.
jednostavna složena Slika 6.7 – Jednostavna i složena gravura s – visina mosta, b – dužina mosta, H – visina gravure
b1 b2 s1 < s2
Na slici 6.8 data su tri različita oblika kanala za srh sa magacinom za višak materijala. A – kanal i magacin u gornjem kalupu B – kanal i magacin u donjem kalupu C – kanal i magacin u oba kalupa (b – dužina kanala, s – visina kanala) Slika 6.8 – Oblici kanala za srh s magacinom za višak materijala Kalupi za kovanje mogu se podeliti po različitim kriterijumima: a) – jednostruki kalup – višestruki kalup
a) b) Slika 6.9 – Jednostruki i višestruki kalup U višestrukom (na slici 6.9 to je dvostruki) kalupu istovremeno, u jednom udarcu, izrađuju se dva identična otkovka. b) – puni alati – alati s uloškom
Slika 6.10 – Puni alati i alati s uloškom Izradom alata s uloškom postiže se ušteda u materijalu jer se skupi materijal koristi samo za uložak, a ne i za telo alata. Kod punih alata izrada je jednostavnija, ali troškovi materijala su viši jer je ceo alat izrađen od skupog materijala. c) – jednopozicioni alat – višepozicioni alat
Slika 6.11 – Višepozicioni alat a – podeona ravan, b – gravura 1, c – gravura 2, d – gravura 3, e – završna gravura
Jednopozicioni alat sadrži samo jednu gravuru (slika 6.9a) a višepozicioni alat više različitih gravura. Višepozicioni alati koriste se u slučaju kada se otkovak dobija u više različitih gravura (slika 6.11). Vođenje gornjeg u odnosu na donji kalup može biti realizovano na više načina (slika 6.12).
A)
B)
C)
Slika 6.12 – Vođenje gornjeg kalupa u odnosu na donji A – vođenje površinama, B – vođenje stubovima, C – kružno vođenje a – ivično vođenje, b – ugaono vođenje, c – zatvoreni oblik, d – otvoreni oblik U toku obrade alati za kovanje izloženi su visokim termičkim, mehaničkim i tribološkim opterećenjima. Na slici 6.13 prikazana su kritična mesta u jednom alatu za kovanje sa stanovišta različitih vrsta opterećenja. Uočava se da je habanje najčešći oblik oštećenja alata (oko 70%), zatim slede mehanički zamor, plastična (trajna) deformacija i termički zamor. Na slici 6.14 prikazan je alat razoren usled zamora Za pravilnu konstrukciju i izradu kalupa za kovanje izbor materijala je od izuzetnog značaja. U knjizi [10] dat je pregled materijala koji se najčešće koriste za izradu kalupa za kovanje.
Slika 6.13 – Opterećenja alata
Slika 6.14 - Kalup razoren usled zamora [34]
6.5. Osnovne smernice pri projektovanju procesa kovanja Projektovanje tehnološkog procesa kovanja obuhvata: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.
Određivane težine, oblika i dimenzija pripremka Zagrevanje pripremka Operacije pripremnog kovanja Završno kovanje Obrezivanje otkovka Žarenje otkovka Čišćenje Kalibrisanje Alati za kovanje Oprema za kovanje
Slika 6.15 – Opšta šema tehnološkog procesa kovanja
Na slici 6.15 data je opšta šema tehnološkog procesa. 1 – Polufabrikat sa skladišta doprema se na operaciju odsecanja. Pre toga uzorak materijala se dostavlja laboratoriji na utvrđivanje i kontrolu osobina materijala. 2 – Odsecanje na potrebnu dužinu. 3 –Zagrevanje pripremka. Postoje različite konstruktivno-konceptualne izvedbe peći za zagrevanje, uz korišćenje različitih energetskih izvora. 4 – Operacije kovanja. Kovanje se može izvoditi u jednoj operaciji (ređi slučaj) ili u više operacija, već u zavisnosti od oblika i dimenzija otkovka. Ako je za izradu potrebno više operacija, onda alat sadrži različite gravure: Gravure za pripremno kovanje služe za ostvarivanje pogodnog rasporeda mase za dalji tok kovanja, tj. za početno približavanje njegovog polaznog oblika završnom obliku otkovka. Postoji više tipova pripremnih gravura: za utiskivanje oblika, za savijanje, za smanjenje preseka, za izduživanje i za sabijanje. Prethodna gravura ima zadatak da pripremi otkovak za završni udarac, tj. za završnu gravuru. Oblik prethodne gravure u globalu vrlo je sličan obliku završne gravure ali razlika je u radijusima, nagibima i ostalim konstrukcionim elementima gravure. Završna gravura je negativ finalnog otkovka u toplom stanju. Na slici 6.16 ilustrovan je postupak kovanja klipnjače na višepozicionom alatu s naznakom pojedinih vrsta gravura.
Slika 6.16 – Faze kovanja klipnjače A – gornji kalup B – donji kalup C – pripremna gravura D – završna gravura E – prethodna gravura F – pripremna gravura
1 – polufabrikat 2 – pripremno kovanje 3 – prethodno kovanje 4 – gotov otkovak pre odsecanja venca (završno kovanje) 5 – gotov otkovak posle odsecanja venca
5 – Odsecanje venca (srha) izvodi se na posebnoj mašini s mehaničkim pogonom, uz upotrebu specijalnih alata. 6 – Termička obrada otkovka obavlja se radi postizanja određenih mehaničkih i tehnoloških svojstava otkovka. Koji postupak termičke obrade će se primeniti (normalizacija, poboljšavanje, meko žarenje i dr.), zavisi od vrste materijala i namene otkovka.
7 – Kontrola otkovaka 8 – Peskarenje (izlaganje otkovka jakom mlazu peska) u cilju skidanja oksidne kore s otkovka. 9 – Kalibrisanje otkovka vrši se da bi se postigli tačan oblik i dimenzije otkovka. Moguće je kalibrisanje u toplom i hladnom stanju a takođe kalibrisanje po celoj površini ili po samo određenoj površini. 10 – Završna kontrola 11 – Skladištenje gotovih otkovaka 6.6. Mašine za kovanje Kovanje se izvodi na mehaničkim i hidrauličnim presama i čekićima. Hidraulične prese velike snage, po pravilu se koriste za slobodno kovanje velikih delova, kao na primer kovanje vratila turbine. Manje hidraulične prese mogu se koristiti za kovanje u kalupu sitnijih otkovaka od čelika, obojenih metala i njihovih legura. Za kovanje u kalupu koriste se i mehaničke prese – krivajne i zavojne. Krivajne kovačke prese su vertikalne kovačke prese, koje se koriste za kovanje otkovaka do 100 kg mase. Horizontalna kovačka presa takođe je presa s krivajnim mehanizmom, a koristi se za kovanje delova tipa dugačkog vratila s prirubnicom. U ovoj mašini postoji dvostruka podela kalupa. Zavojne prese uglavnom se koriste za kovanje manjih otkovaka tipa zavrtnja s glavom. Čekići se koriste za kovanje najsloženijih otkovaka. Prema vrsti pogona oni mogu biti: parovazdušni, vazdušni, hidraulični i mehanički. Hidraulični čekići po svojim performansama polako dostižu parovazdušne čekiće uz vrlo visok koeficijent korisnog dejstva (oko 70%). Na slici 6.17 su dati podaci o hidrauličnim čekićima kompanije Lasco, Nemačka.
Slika 6.17 – Mašine za hladno i toplo oblikovanjeLasco, Nemačka [46] Za kovanje složenih otkovaka manjih dimenzija koriste se višepozicione automatske prese, slika 6.19a. Ove mašine imaju ugrađen sistem za dododavanje šipkastog materijala, sisitem za zagrevanje pripremka i sistem za međuoperacioni transport obratka (slika 6.19b)zagrevanje.
Slika 6.18 - Delovi kovani na na automatskoj višepozicionoj presi Hatebur [48]
b) a) Slika 6.19 - Automatska presa za toplo kovanje “Hotmatic” Hatebur [48] 6.7. Ilustracija primene kovanja, specijalni postupci Kovanje ima veoma značajnu primenu u automobilskoj industriji kako zbog visokog kvaliteta delova dobijenih ovom tehnologijom tako i zbog cene i produktivnosti procesa. Tipični delovi koji se kuju za potrebe autoindustrije prikazani su na narednim slikama.
Slika 6.20 - Tipični delovi automobila izrađeni kovanjem u kalupu
Slika 6.21 - Procentualana raspodela otkovaka u autoindustriji Nemačke [42] 6.8. Precizno kovanje U poslednje vreme u industrijski razvijenim zemljama (Nemačka, Japan, USA idr.) klasično kovanje u autoindustriji se zamenjuje visokopreciznim kovanjem koje obezbeđuje visok kvalitet i tačnost dimenzija (tabela 2). Tabela 2 – Tačnost obrade pojedinih metoda TPD [42]
Primeri otkovaka dobijenih preciznim kovanje za potrebe autoindustrije prikazani su na narednim slikama.
Slika 6.22 - Otkovci dobijeni preciznim kovanjem
Slika 6.23 - Precizno kovani zupčanici [42]
a)
b)
Slika 6.24 - Alat za precizno kovanje klipnjače (a) i zupčanika (b) [42]
a)
b)
Slka 6.25 - Precizno kovanje karadanskog krsta [8]
Literatura [8] [10] [34] [42] [46] [48]
Nakamura T. Osakada K.: research and development of precision forging in Japan, 8th ICTP 2005., Verona, Italy. Plančak, M., Vilotić, D.: Tehnologija plastičnog deformisanja, Fakultet tehničkih nauka, Novi Sad, 2003. http://www.forgefair.com/FIERF/pdf/walker.pdf http://cat.inist.fr/?aModele=afficheN&cpsidt=15282972 http://www.lasco.com/index.html http://www.girard.cc/hatebur/hatebur.php3
